Livslängdscykling av AA NiMH batterier för att studera effekterna av överladdning.

Transkript

1 Livslängdscykling av AA NiMH batterier för att studera effekterna av överladdning. Johny Jonsson Annika Ahlberg Tidblad Catella Generics AB Org No Registered Office Stockholm Veddestavägen 7 SE Järfälla Sweden Phone Fax

2 Sida 2 (20) Livslängdscykling av AA NiMH batterier för att studera effekterna av överladdning. Sammanfattning: Livslängdscykling med olika laddningsprofiler har utförts med CGs provningsutrustning. Provningen omfattar 3 laddningsprofiler där 2 st simulerar överladdning med olika laddningsströmmar och det tredje är en normal laddning enligt CGs referensmetod för NiMH batterier. Syftet har varit att klargöra effekten av överladdning på den förväntade batterilivslängden. Provningsuppdraget har utförts på batterier av typen NiMH AA Duracell 1800 mah. Resultaten visar att korrekt laddning bidrar till bättre ekonomi för konsumenten som kan tillgodose sina batteribehov med färre batterier genom korta laddningstider och bibehållen lång cykellivslängd. Det är fullt möjligt att ladda batterierna med höga strömmar (C/1) med mycket god cykellivslängd förutsett att laddningen utförs på ett kontrollerat sätt och avbryts innan överladdning sker. Avancerade laddare är betydligt dyrare än enkla tidsstyrda laddare. Testet visar att laddningsbara batterier är ett prisvärt alternativ till primära batterier för applikationer med låg last även med en enkel laddare eftersom cykellivslängden bör motsvara cirka ett års förbrukning. Applikationer med hög last ställer större krav på laddaren eftersom det är viktigt att undvika överladdning om lång drifttid skall uppnås. Elektronisk kopia av original rapport är märkt med RE i Rapport nr R Författare: Godkänd av: Johny Jonsson Annika Ahlberg Tidblad Lars Häggström Distribution: Konsumentverket, Katrin Rabe

3 Sida 3 (20) 1. UPPDRAGSGIVARE Konsumentverket Att. Katrin Rabe Rosenlundsgatan Stockholm 2. UPPDRAG Av resultaten från den laddarprovning som CG utfört för Konsumentverket, se rapport R02-058: Provning av 10 st universalladdare (NiMH) för Konsumentverket, framgick att de flesta laddarna överladdar batterierna. Syftet med den här studien är att klargöra effekten av överladdning på den förväntade batterilivslängden i livslängdscykling. 3. PROVFÖREMÅL Provningsuppdraget har utförts på batterier av typen NiMH AA Duracell 1800 mah. Batterierna är försedda med en finstilt förklaringstext som anger att den givna märkkapaciteten 1800 mah gäller för laddning med C/10 ström under 15 timmar. Konsumentverket levererade 16 st batterier i juni Kommentar angående kapacitetsmärkning: Det är inte bra att utforma en kapacitetsmärkning på det här sättet. Enligt standard baseras kapacitet på urladdning med C/5 ström och det är missvisande för konsumenterna om batterier är märkta på olika grunder. Dessutom skall ett bra batteri klara att uppnå angiven kapacitet även vid C/1 ström, dvs 1800 ma i detta fall. 4. PROVUTRUSTNING OCH MILJÖ Konditionering och cykling av batterier har utförts med Catella Generics utrustning för laddningsbara batterier av typen GSM-skåp. Eftersom batterier är temperaturkänsliga utfördes provningen i ett klimatskåp inställt på 23 o C för att hålla så stabila temperaturförhållanden som möjligt. Registrering av batteriernas ström och spänning har skett vid ± V=10 mv och var 10:e minut. GSM-skåpen kalibreras årligen och uppfyller krav på mätnogrannhet: Spänning: ± 1 mv eller 0,5 % Ström: ± 1 ma eller 0,5 %

4 Sida 4 (20) 5. GENOMFÖRANDE Livslängdscykling med olika laddningsprofiler har utförts med CGs provningsutrustning. Provningen omfattar 3 laddningsprofiler där 2 st simulerar överladdning med olika laddningsströmmar och det tredje är en normal laddning enligt CGs referensmetod för NiMH batterier. Samtliga batterier konditioneras enligt följande procedur för att erhålla ett gemensamt utgångsläge innan livslängdscyklingen. C/5 resturladdning, bryt vid 1 V/cell 1 st C/1 laddning, bryt vid - V= 10 mv/cell GSM-urladdning, bryt vid 1 V/cell 4 ggr C/1 laddning, bryt vid - V= 10 mv/cell C/1 urladdning, bryt vid 1 V/cell 1 st C/1 laddning, bryt vid - V= 10 mv/cell C/5 urladdning, bryt vid 1 V/cell Inladdad- och urladdad kapacitet uppmäts för varje cykel. GSM (Global System for Mobile Communications)-urladdningen används för att beräkna DC-impedans vilket ger ett mått på batteriernas inre resistans. Efter konditionering fördelas batterierna på 3 olika livslängdsprofiler enligt följande: 1. Livslängdscykling med normalladdning för NiMH batterier. 2. Livslängdscykling med överladdning C/1. 3. Livslängdscykling med överladdning C/3. Beskrivning av livslängdsprofiler: 1. Livslängdscykling med normalladdning för NiMH batterier. Normalladdning definieras som laddning med C/1 ström, där C är strömmen för att nå batteriets kapacitet på 1 h, i detta fall 1800 ma. Laddningen avbryts när kriteriet - V=10 mv uppnåtts. Urladdningar sker med samma ström, C/1, och denna cykling upprepas i intervall om 25 cykler. Var 26:e cykel utgörs av en pulsad urladdning för att beräkna vad som händer med batteriernas inre resistans under cyklingen. I detta fall valdes en GSMprofil. Utifrån värdet på U/ I som erhålls vid pulsurladdningen beräknas DCimpedansen vid 80 % av urladdningsdjupet, vilket är ett mått på den inre resistansen i battericellen. GSM-profilen är tagen från telekommunikationsområdet och utförs med en basström under 4,032 ms och en högre belastningsström under 0,576 ms. Vid den här provningen var basströmmen vald till 100 ma och den högre belastningsströmmen till 1700 ma, det bildar en medelström på 300 ma vilket motsvarar C/6 ström. Strömmarna för basström och högre belastning följer inte någon standard utan är valda för att ligga inom ett lämpligt strömområde för batterierna i detta uppdrag.

5 Sida 5 (20) Med GSM-profilen inlagd var 26:e cykel erhålls förutom en kalkylerad inre resistans också en kontroll på hur batteriet samtidigt reagerar på en annan typ av last. Programmerad profil: Laddning med ström 1800 ma och avbrottskriterie - V=10 mv. Vila 20 minuter Urladdning med ström 1800 ma och avbrottskriterie när slutspänning når 1V/cell Vila 10 minuter (Upprepas i 25 cykler) Sedan utförs en 26:e cykel med pulsad urladdningsprofil enligt följande: Laddning med ström 1800 ma och avbrottskritere - V=10 mv. Vila 20 minuter. GSM-urladdning med ström 100 ma/1700 ma och avbrottskriterie när slutspänning når 1V/cell. Vila 10 minuter. Hela proceduren upprepas tills batterierna förlorat så mycket av sin ursprungliga kapacitet att de kan anses förbrukade och provet avbryts. Syftet med den här referensprofilen är att visa att det går bra att ladda med vad som anses vara en hög ström och att man skall förvänta sig minst 400 cykler innan kapaciteten understigit 80 % av den ursprungliga. 2. Livslängdscykling med överladdning C/1. Laddning utförs med strömmen C/1 (1800 ma) och tid som avbrottskriterie. Laddning avbryts efter 1 h och 20 min, vilket motsvarar en initial överladdning på ca 30 %. Graden av överladdning ökar med tiden allteftersom batteriet förlorar i kapacitet. Urladdning, vila och pulsad urladdning sker på samma sätt som i profil 1 ovan. Profil 2 simulerar tidsstyrda laddare, som är vanligast på marknaden, även om strömmen i detta fall är högre än normalt. Syftet med den här profilen är att visa att överladdning skadar batterier. Genom att accelerera förloppet med den höga strömmen erhålls en relation till referensladdningen som visar vad man kan få ut av batterierna med samma ström förutsatt att laddningen sker på rätt sätt. 3. Livslängdscykling med överladdning C/3. Laddning utförs med strömmen C/3 (600 ma) och tid som avbrottskriterie. Laddning avbryts efter 4 h, vilket motsvarar samma överladdningsgrad som i profil 2. Urladdning, vila och pulsad urladdning sker sedan på samma sätt som i profil 1 ovan. Profil 3 är konstruerad med en lägre laddningsström som ligger närmare de strömnivåer som används i tidsstyrda laddare. Överladdningstiden justeras för att efterlikna samma förhållande som i profil 2. Syftet är att undersöka hur överladdning påverkar batterierna när laddningsströmmen är lägre än i profil 2.

6 Sida 6 (20) 6 RESULTAT: Konditionering: Samtliga batterier som används vid provningen konditioneras för att erhålla ett gemensamt utgångsläge innan de går vidare för livslängdscykling. Tolv batterier har konditionerats. Medelvärden på de initiala C/5 och C/1 kapaciteterna presenteras i tabell 1 nedan. De enskilda batteriernas värden redovisas i Appendix 1. Tabell 1: Medelvärden på initialkapacitet innan livslängdscykling. Kapacitet Duracell 1800 mah NiMH AA % av märkt kapacitet C/ mah 92,9 C/ mah 88,3 C/5 motsvarar en urladdnings ström på 360 ma. Vid denna ström får man ut en kapacitet på 1673 mah vilket motsvarar 92,9 % av märk kapaciteten. Dessutom indikerar C/1 kapaciteten 1589 mah på att batterierna borde varit märkta med 1600 mah istället för 1800 mah. Livslängdscykling: Cykling av batterier innebär att cellen åldras och kapaciteten gradvis sjunker. Takten med vilket detta sker är starkt avhängigt av laddningsförfarandet. Överladdning av batterier bidrar till att batterierna åldras snabbare och att det totala antalet cykler som kan erhållas ur batteriet blir mindre än om batteriet laddats korrekt. I figur 1 jämförs Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström med olika avbrottskriterier för fullbordad laddning. I det ena fallet har laddningen avbrutits med kriteriet V=10 mv, vilket förhindrar överladdning under batteriets hela livslängd. I det andra fallet har laddningen varit tidsstyrd och batterierna överladdats. I det första fallet uppnås 500 cykler med 80 % bibehållen initial kapacitet, vilket motsvarar 500 dagars användning om man laddar batterierna dagligen. Många konsumenter finner batterierna tillfredställande ner till 60 % av initial kapacitet och får då ut 675 cykler innan batterierna är uttjänta. Detta är ett bra resultat. De överladdade batterierna förlorar snabbt i kapacitet och cykellivslängden blir märkbart kortare. De normalladdade batterierna ger 5 gånger fler cykler innan kapaciteten sjunkit till 80 % av initial kapacitet jämfört med de överladdade batterierna i detta test. Testet visar också att det är fullt möjligt att ladda batterierna med höga strömmar (C/1) med mycket god cykellivslängd förutsett att laddningen utförs på ett intelligent sett och avbryts innan överladdning sker. Snabbladdning är att föredra ur användarsynpunkt då man kortar ner den tid då batteriet är obrukbart som strömkälla, dvs laddningstiden, och minskar behovet av extra batteriuppsättningar för att driva den aktuella applikationen.

7 Sida 7 (20) Antal cykler % av Kapacitet Normalladdade Överladdade Figur 1: Förhållande mellan antal laddningscykler och bibehållen kapacitet för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström och avbrottskriterierna V=10 mv (normalladdade) respektive tidstyrd laddning i 1 h 20 min (överladdade). Figur 2 och 3 visar urladdningskapacitet som funktion av cykel för C/1- respektive GSM pulsurladdning med en medelström på C/6. Diagrammen visar tydligt skillnaden i batterilivslängd beroende på laddningsförhållande, men även lastens betydelse för hur stor kapacitet som kan utvinnas ur batteriet. De två diagrammen visar exakt samma batterier men vid olika belastningsprofiler. Livslängden för både de normalladdade och överladdade batterierna ökar vid lägre belastning. Detta beror på att man får ett större urladdningsdjup vid den lägre strömmen, dvs man får ett effektivare utnyttjande av den energi som finns lagrad i batteriet. Figur 4 visar laddningsströmmens betydelse för batterilivslängden vid överladdning i form av tidsstyrd laddning. Livslängden ökar med en lägre laddningsström. I det här fallet har C/3 dvs 600 ma jämförts med C/1 (1800 ma). Det förekommer laddare med ännu lägre laddningsström som skulle kunna ge ytterligare ett antal cykler i batterilivslängd men den här studien visar att överladdning förkortar livslängden jämfört med optimal laddning även med låga laddningsströmmar. Dessutom tar laddningen onödigt lång tid att utföra. Flertalet vanliga användningsområden för batterier drar en förhållandevis låg last, t ex hörlurar, bandspelare, radio och MP3-spelare drar typiskt ma. Det innebär att laddningsbara batterier är ett prisvärt alternativ även med en enkel laddartyp eftersom man borde kunna få runt ett års driftstid per uppsättning batterier.

8 Sida 8 (20) 2000 Kapacitet (mah) Överladdade Normalladdade Antal cykler Figur 2: Kapacitet som funktion av antalet cykler för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström och avbrottskriterierna V=10 mv (normalladdade) respektive tidstyrd laddning i 1 h 20 min (överladdade). Blå linjen är medelkapacitet för 2 provade batterier som normalladdats. Den röda linjen är medelkapacitet för 3 batterier som överladdats i testet. Urladdningsströmmen var C/1, dvs 1800 ma Kapacitet (mah) Överladdade Normalladdade Antal cykler Figur 3: Puls urladdad kapacitet (GSM) som funktion av antalet cykler för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström och avbrottskriterierna V=10 mv (normalladdade) respektive tidstyrd laddning i 1 h 20 min (överladdade). Blå linjen är medelkapacitet för 2 provade batterier som normalladdats. Den röda linjen är medelkapacitet för 3 batterier som överladdats i testet. Medelströmmen vid urladdning var C/6, dvs 300 ma.

9 Sida 9 (20) 1800 Kapacitet (mah) Överladdade med C/3 800 Överladdade med C/ Antal cykler Figur 4: Kapacitet som funktion av antalet cykler för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 och C/3 ström. Båda laddningarna är tidsstyrda och laddningsmängden som tillförs batterierna den samma. Cykling av batterier medför ökad inre resistans oavsett om batterierna normal- eller överladdas. Åldrandet accelereras i form av ökad inre resistans med graden av överladdning. Eftersom det är svårt att mäta den inre resistansen direkt är det brukligt att uppskatta DCimpedansen, vilket är ett indirekt mått på batteriets inre resistans. Detta illustreras i figur 5 som visar DC-impedans som funktion av antalet cykler. I figur 6 har DC-impedansen avsatts som funktion av återstående kapacitet. Det är tydligt att kapaciteten följer DC-impedansen. För att få lång drifttid vid höga strömbelastningar (typ digitalkameror) är det önskvärt med låg inre resistansen varvid vikten av att undvika överladdning ökar. Figur 7 och 8 visar laddnings- respektive urladdningskurvor vid normalladdning. Laddningskurvorna visar tydligt svagheten med tidsstyrda laddare jämfört med intelligenta. Eftersom laddningstiden till fulladdning minskar med tiden ökar graden av överladdning, och därmed åldringstakten, med en tidsstyrd laddare. Den ökade cellspänningen vid laddning beror på polarisationseffekter i cellen.

10 Sida 10 (20) DC-impedans (mohm) Överladdade 25 Normalladdade Antal cykler Figur 5: Beräknad DC-impedans som funktion av antalet cykler för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström och avbrottskriterierna V=10 mv (normalladdade) respektive tidstyrd laddning i 1 h 20 min (överladdade). Blå linjen är medevärdet för 2 provade batterier som normalladdats. Den röda linjen är medelvärdet för 3 batterier som överladdats i testet. 100 DC-impedans (mohm) Normalladdade Överladdade % av puls urladdad kapacitet Figur 6: Förhållande mellan inre resistans och kapacitet för Duracell 1800 mah NiMH AA batterier som laddats med C/1 ström och avbrottskriterierna V=10 mv (normalladdade) respektive tidstyrd laddning i 1 h 20 min (överladdade).

11 Sida 11 (20) 1,8 1,7 Cykel 800 Cykel 400 Spänning (V) 1,6 1,5 1,4 Cykel 1 1,3 1,2 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Tid (h) Figur 7: Laddningkurva vid cykel 1, 400 och 800 för normalladdade batterier. 1,6 1,5 Spänning (V) 1,4 1,3 1,2 Cykel 800 Cykel 400 Cykel 1 1,1 1,0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Tid (h) Figur 8: Urladdningskurva vid cykel 1, 400 och 800 för normalladdade batterier.

12 Sida 12 (20) Batterierna vägdes före och efter provningen. Viktsförändringarna sammanfattas i tabell 2. De överladdade batterierna har i snitt förlorat drygt 5 gånger mer i vikt än de normalladdade batterierna. Det beror på att överladdningen leder till tryckökning i cellen som ventilerar och förlorar en aerosol bestående av vätgas och elektrolyt till omgivningen. Metallhydridelektroden är i regel inte kapacitetsbestämmande då den är överdimensionerad men vid upprepad vätgasförlust kan det förhållandet ändra sig. Dessutom försämras vätningen av elektroderna och separatorerna mellan elektroderna om elektrolyt förloras. Tabell 2: Viktförändring efter livslängdscykling. Normalladdade Överladdade C/1 Batteri Nr Viktförändring [mg] -18,7-11,5-75,0-73,5-96,6 7. SLUTSATSER Korrekt laddning bidrar till bättre ekonomi för konsumenten som kan tillgodose sina batteribehov med färre batterier genom korta laddningstider och bibehållen lång cykellivslängd. Det är fullt möjligt att ladda batterierna med höga strömmar (C/1) med mycket god cykellivslängd förutsett att laddningen utförs på ett optimalt sätt och avbryts innan överladdning sker. Överladdning med lägre laddningsström ökar antalet cykler som kan utvinnas ur batteriet men den här studien visar att livslängden vid överladdning är sämre än om laddningen utförs optimalt. Även med en enkel tidsstyrd laddare är laddningsbara batterier ett prisvärt alternativ för applikationer med låg last eftersom cykellivslängden bör motsvara cirka ett års förbrukning. Vikten av att undvika överladdning ökar med krav på lång drifttid vid höga strömbelastningar. Överladdning leder till viktminskning i form av vätgas och elektrolyt som förloras till omgivningen.

13 Sida 13 (20) APPENDIX 1 Tabell A1: Konditionering. Konditionering av Duracell 1800 mah NiMH AA. Konditionering av batterier och bestämmande av C/5 respektive C/1 kapacitet. Batteri Nr Spänningskontroll vid leverans 1,27 1,27 1,27 1,28 1,28 1,27 1,28 1,28 1,26 1,26 1,252 1,25 vikt med kablar mm 55,8 50,6 50,4 51,9 51,1 49, ,6 51,2 50,7 51,18 50,7 C/5 rest kapacitet (mah) GSM urladdning (mah) DC-impedans (mohm) 21,4 18,3 19,8 19,8 19,8 16,8 19,8 16,8 21,4 19,8 19,84 18,3 Kapacitet 1C-cycling (mah) Cykel 1 Laddning Urladdning Cykel 2 Laddning Urladdning Cykel 3 Laddning Urladdning Cykel 4 Laddning Urladdning C/5 Kapacitet Laddning Urladdning Batteri nr 1,2 användes vid normalladdning. Batteri nr 5-7 användes vid överladdning med C/1. Batteri nr 10 användes vid överladdning med C/3

14 Sida 14 (20) Tabell A2: Livslängdscykling - normalladdning. 25 cykler med 1C=1800 mah laddning till -dv 10mV 26:e cykeln genomföres en Gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri C 1C 1C 1C Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Cykler (mah) (mah) Cykler (mah) (mah)

15 Sida 15 (20) Tabell A3: Livslängdscykling - normalladdning - GSM kapacitet 25 cykler med 1C=1800 mah laddning till -dv 10mV 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri GSM GSM GSM GSM Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Cykler (mah) (mah) Cykler (mah) (mah)

16 Sida 16 (20) Tabell A4: Livslängdscykling - normalladdning - DC impedance 25 cykler med 1C=1800 mah laddning till -dv 10mV 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri DC DC DC DC Impedans Impedans Impedans Impedans Cykler (mohm) (mohm) Cykler (mohm) (mohm)

17 Sida 17 (20) Tabell A5: Livslängdscykling - Överladdning 25 cykler med 1C=1800 mah laddning under 80 minuter 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri C 1C 1C 1C 1C 1C Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Cykler (mah) (mah) (mah) Cykler (mah) (mah) (mah)

18 Sida 18 (20) Tabell A6: Livslängdscykling - Överladdning - GSM kapacitet 25 cykler med 1C=1800 mah laddning under 80 minuter 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri GSM GSM GSM GSM GSM GSM Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Kapacitet Cykler (mah) (mah) (mah) Cykler (mah) (mah) (mah)

19 Sida 19 (20) Tabell A7: Livslängdscykling - Överladdning - DC impedance 25 cykler med 1C=1800 mah laddning under 80 minuter 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri Batteri DC DC DC DC DC DC Impedans Impedans Impedans Impedans Impedans Impedans Cykler (mohm) (mohm) (mohm) Cykler (mohm) (mohm) (mohm)

20 Sida 20 (20) Tabell A8: Livslängdscykling - överladdning 25 cykler med 1C=600 mah laddning under 4 timmar 26:e cykeln genomföres en gsm urladdning med 100/1700 ma Urladdning sker med 1C=1800 mah Batteri Batteri C GSM Kapacitet Kapacitet Cykler (mah) (mah) Not: GSM-urladdning ej utförd vid cykel 50.